استخدام الترسيب الطبقي الذري (ALD) لإنشاء طلاء فائق السواد مثالي لمراقبة الكون

حقق الباحثون من جامعة شنغهاي للعلوم والتكنولوجيا والأكاديمية الصينية للعلوم إنجازًا كبيرًا بعد أن نجحوا في استخدام طريقة جديدة للترسيب الطبقي الذري (ALD) لتطبيق طلاء فائق السواد على سطح غير مستوٍ. الطلاء المطور أكثر صلابة وفعالية من سابقيه. وبالتالي، قد يكون لهذا التطور آثارًا كبيرة على عدة صناعات، بما في ذلك البصريات، واستكشاف الفضاء، والطاقة المتجددة، وأكثر من ذلك. إليكم ما تحتاجون إلى معرفته.

نشر الباحثون نتائجهم وشرحوا بالتفصيل كيف أنشأوا طلاءً رقيقًا فائق السواد متينًا صُمم خصيصًا لسبيكة المغنيسيوم من الدرجة الجوية. تُستخدم هذه السبائك عادةً في استكشاف الفضاء، حيث الوزن والمتانة هما من الاعتبارات الرئيسية.

المصدر – فوتون إكسبيرت – الترسيب الطبقي الذري (ALD) المخترع الدكتور تومو سونتولا

قد لا يفهم الأشخاص غير الملمين بالعملية المستخدمة لإنشاء الأجهزة المتقدمة والبصريات الأهمية الحيوية للعثور على مادة سوداء غير عاكسة. فمن المعروف أن الضوء المتناثر يمكن أن يسبب اضطرابات في هذه الأجهزة ويقلل الجودة بشكل كبير. وبالتالي، كان هناك خط مستمر من التحسينات في البحث عن المادة السوداء غير العاكسة الأكثر قتامة.

ستساعد هذه الطلاءات في تعزيز تقنيات الفضاء حيث يمكن لتوليفات المواد الجديدة أن تخلق مواد أقوى. تُوجد هذه المواد الخفيفة الوزن في العديد من الأقمار الصناعية، والمركبات الفضائية، والبدلات. كما تُستخدم بشكل شائع في قطاع الطيران بسبب صلابتها ومتانتها المثبتة.

في البحث عن الأسود الأكثر قتامة

مع استمرار تحسين البصريات الدقيقة، يزداد الطلب على مواد أكثر امتصاصًا للضوء. حتى وقت قريب، كان يُستخدم فيلم أسود رقيق لإنشاء مادة غير عاكسة تمتص الضوء داخل عدسات الكاميرات وغيرها من الأجهزة المنحنية أو ذات الأشكال الغريبة. يوفر طلاء ALD حلاً أفضل يمكن تطبيقه بسهولة أكبر ومقاومًا للظروف القاسية. تُنتج العملية طبقات رقيقة جدًا ومتساوية لا تترك أي مناطق غير مغطاة.

مشكلات المواد والأساليب الحالية للطلاء

هناك العديد من الأسباب التي تجعل تقنيات الطلاء الفائق السواد الحالية غير كافية لأجهزة البصريات والإلكترونيات المتقدمة اليوم. تعتمد أكثر تقنيات الطلاء شيوعًا حاليًا على مواد هشة، بما في ذلك الأنابيب النانوية الكربونية المرتبة عموديًا أو السيليكون الأسود. لا يمكن لهذه المواد تحمل البيئات القاسية دون أن تتدهور بسرعة. كما أنها مكلفة وصعبة الصنع.

بالإضافة إلى ذلك، يصعب تطبيق هذه الطلاءات على الهياكل المعقدة. نظرًا لأن التطبيق غير المتساوي يؤدي إلى تقليل المتانة وتقليل الأداء، فقد كرس المزيد من الباحثين جهودهم لإنشاء بدائل أكثر امتصاصًا. مع تعقيد العدسات وغيرها من الأجهزة البصرية، يصبح من الضروري البحث وابتكار طرق أفضل لتطبيق مادة غير عاكسة تمتص الضوء بشكل متساوٍ.

دخول الترسيب الطبقي الذري (ALD)

يساعد الترسيب الطبقي الذري (ALD) في حل العديد من المشكلات الرئيسية التي يواجهها المصنعون والباحثون فيما يتعلق بالطلاءات. تعتمد العملية على غرف مفرغة حيث يُضخ الغاز ويترك طبقة رقيقة على السطح. تُعرف هذه الطريقة بنمو الفيلم وتوفر للمصنعين طريقة سهلة لصنع مواد معقدة باستخدام طبقات.

أنتجت طريقة ALD نتائج مذهلة حيث أظهر اختبار أن 99.3٪ من الضوء تم امتصاصه بواسطة هذه المادة الفائقة السواد. تأتي هذه التحسينات من تغطية الفيلم الأكثر تجانسًا واستخدام مواد جديدة لامتصاص الضوء. على وجه التحديد، قدم الباحثون طريقة جديدة تستخدم طبقتين لتحسين المتانة.

الطبقة الأساسية تستخدم مركب التيتانيوم-الألمنيوم-الكربون (TiAlC). يتمتع هذا التركيب بخصائص امتصاص خفيفة للغاية ويمكنه الصمود تحت الاستخدام المكثف في بيئات قاسية بما فيها الفضاء. الطبقة الثانية تستخدم مادة عازلة من نيتريد السيليكون (SiO2) والتي تُعد مثالية لمنع الانعكاسات. معًا، يمكن لهذه الطبقات امتصاص 99.3٪ من الضوء عبر مجموعة من الأطوال الموجية.

تاريخ الترسيب الطبقي الذري

فكرة استخدام ALD لتطبيق طلاءات رقيقة موجودة منذ أكثر من 60 عامًا. ومن المثير للاهتمام أن مخترعين اثنين ادعيا اكتشاف هذه التقنية. سلكت هذه الجهود المستقلة نهجًا مختلفًا في العملية ولكنها توصلت إلى نفس النتيجة: طبقة رقيقة ذرية من الطلاء.

في الستينيات، أنجز الباحثون السوفييت هذه المهمة باستخدام عملية تسمى التراص الجزيئي. لم يُعترف بالاكتشاف على الفور في الغرب بسبب المناخ السياسي المتوتر بعد انتهاء الحرب العالمية الثانية. ومع ذلك، أدرك العديد من الباحثين مبكرًا أن هذه التقنية ستكون محورية في الأجهزة من الجيل التالي.

بعد عقد من الزمن، نجح فريق بحثي فنلندي بقيادة الدكتور تومو سونتولا في استخدام طريقة جديدة تسمى النمو البلوري الطبقي الذري لتوفير طبقات رقيقة ومتساوية من مادة امتصاص الضوء للأجهزة. لاقت هذه الطريقة استحسانًا فوريًا لدى المصنعين، مما جعل فنلندا مركزًا لتطوير ALD لعدة عقود.

منذ ذلك الحين، استمر علم ALD في التوسع مع حدوث اختراقات في الخلايا الضوئية، والتحفيز، وتصنيع أشباه الموصلات، وما بعد ذلك. اليوم، تعيش في عالم محاط بهذه التقنية. من هاتفك الذكي إلى الألواح الشمسية التي تزود منزلك بالطاقة، حسّنت عمليات ALD حياة مليارات الأشخاص.

ومن المثير للإعجاب أن أحدث العمليات تطورت إلى درجة تمكنها من إيداع أفلام متجانسة ومتطابقة على أجسام ثلاثية الأبعاد معقدة بدقة ذرية. يقدم ALD طلاءً فائق الرقة يمكن أن يكون بسماكة ذرة واحدة فقط. ومن الجدير بالذكر أن الطلاء رقيق جدًا بحيث يمكن اعتباره ثنائي الأبعاد.

استخدامات ALD

اليوم، تُعد عمليات تصنيع ALD مكوّنًا حيويًا في السوق. توفر هذه الطبقات الرقيقة طريقة قوية وفعّالة لحماية العناصر من مصادر الطاقة غير المرغوب فيها. إليكم بعضًا من أكثر الطرق إثارة التي يمكن أن يحسن فيها ALD حياتكم في المستقبل.

الخلايا الشمسية

حقق الباحثون تقدمًا كبيرًا في مجال الخلايا الضوئية بفضل استخدام تقنية ALD لتجربة مواد وهياكل جديدة. الألواح الشمسية اليوم غير فعّالة، حيث يحقق الخيار الأفضل متوسط تحويل طاقة لا يتجاوز 30٪. يُفقد جزء كبير من هذه الطاقة كحرارة وتنعكس من سطح الخلايا إلى الغلاف الجوي.

يمكن لألواح الشمس التي تعتمد على ALD أن تلتقط المزيد من الضوء وتمنع التسربات. بالإضافة إلى ذلك، يمكن تصنيعها لتتحمل أقسى البيئات، بما في ذلك تلك الموجودة على كواكب أخرى حيث سيتطلب تشغيل أجهزة استكشاف الفضاء لسنوات. وبالتالي، يعتقد الكثيرون أن خلايا الشمس القائمة على ALD ستُشغّل المستكشف القمري القادم ومشاريع الفضاء الأخرى.

بطاريات الليثيوم

توفر تقنية بطاريات الليثيوم أيون (LIB) بطاريات ذات كثافة طاقة عالية وانخفاض في التفريغ الذاتي. تعتمد هذه البطاريات على تفاعلات كيميائية تحدث بين الكهرل والأنود. للأسف، تستهلك واجهات الكهرل الصلبة الحالية (SEI) نسبة من الأيونات بشكل دائم مما يجعلها غير فعّالة.

يمكن لاستخدام ALD لتغطية طبقات الإلكترونات أن يساعد في منع فقدان الأداء وتقليل التدهور مع مرور الوقت. تستطيع عمليات ALD إنجاز هذه المهام لأنها رقيقة ويمكن تطبيقها بشكل متساوٍ دون أي ثقوب على السطح على المستوى الذري. يمنع هذا الطلاء التلوث المتبادل غير المرغوب فيه على المستوى الذري.

الرقائق الدقيقة

تستمر تقنية الرقائق الدقيقة في إحداث ثورة في العالم من خلال جعل الإلكترونيات المتقدمة أصغر وأكثر موثوقية. الرقاقة الدقيقة الحالية تتقدم بسنوات ضوئية عن سابقتها لكنها لا تزال تفتقر إلى العديد من الجوانب. على سبيل المثال، هي مستهلكة للطاقة بشكل كبير مما يعني أن جميع أجهزتك الذكية تستهلك طاقة كبيرة.

إدراكًا لأهمية استدامة الطاقة، منحت وزارة الطاقة الأمريكية (DOE) مختبر أرغون الوطني 4 ملايين دولار لتمويل أبحاث الجيل التالي من شرائح ALD. هدف المشروع هو العثور على مواد جديدة يمكنها خفض متطلبات الطاقة للرقائق الدقيقة حتى 50 مرة. إذا نجح، قد يستفيد السوق بأكمله.

جزء من النهج يهدف إلى حل “عنق زجاجة فون نيومان” وهو مصطلح يشير إلى كمية الطاقة الضخمة التي تستهلكها الحواسيب لنقل البيانات بين شرائح المنطق والذاكرة. سيستخدم أرغون ALD لإنشاء بدائل منخفضة الطاقة للمساعدة في مكافحة الاستهلاك المفرط للطاقة قبل فوات الأوان.

الفضاء

يُعد استكشاف الفضاء أحد القطاعات التي لعب فيها ALD دورًا مهمًا خلال العقد الماضي. يتطلب البحث الفضائي أجهزة قادرة على تحمل بيئات قاسية لا مثيل لها على الأرض. قد يحتاج القمر الصناعي إلى تحمل درجات حرارة تصل إلى +500 درجة فهرنهايت على جانب واحد، بينما يكون الجانب الآخر من الجهاز متجمدًا عند درجات حرارة تحت الصفر.

يمكن لهذه درجات الحرارة والظروف القاسية أن تتسبب في دمار الأجهزة البصرية والإلكترونية. يقدم ALD الحل الأمثل لهذه المشكلات. بالإضافة إلى ذلك، يواصل الباحثون توسيع قدرات امتصاص الضوء. تعتمد البصريات الفضائية اليوم على مادة يمكنها أيضًا امتصاص الضوء فوق البنفسجي وتحت الأحمر لتوفير بيئة معقمة ضوئية.

قادة سوق ALD

1. Argonne

ANL مخطط السعر

يُعد أرغون مركزًا بحثيًا مشهورًا يعمل مع الشركات المصنعة للتقنيات المتقدمة، والحكومات، والباحثين الآخرين لإنشاء خيارات طلاء متقدمة. تأسست الشركة في الأربعينيات كفرع من مشروع مانهاتن. في ذلك الوقت، كان يُنظر إلى الطاقة الذرية على أنها المستقبل.

منذ ذلك الحين، أصبح أرغون مركزًا متعدد التخصصات للعلوم والهندسة لكنه لا يزال يركز أساسًا على استدامة الطاقة. تستفيد المجموعة من موقعها في وسط شيكاغو للوصول إلى مجموعة متنوعة من الصناعات وتعزيز الإبداع في أسواق فيزياء الطاقة وعلوم المواد.

2. Beneq

(خاص)

في عام 1984، أصبحت Beneq أول خط إنتاج صناعي في العالم يدمج طرق ALD في عملياته. هذه الشركة الفنلندية الخاصة كانت رائدة في السوق منذ إنشاء ALD. اليوم، توفر معدات ALD عالية المستوى للشركات وتختص في عمليات تصنيع أشباه الموصلات.

تظل Beneq قوة رائدة في قطاع ALD وقد تم الاعتراف بها كواحدة من أكثر الأسماء رسوخًا في هذه القائمة. تستمر المجموعة في تقديم حلول طلاء جديدة ومبتكرة. وبالتالي، يعتبرها الكثيرون رائدًا في السوق.

3. CVD Equipment

CVV مخطط السعر

تُعد CVD Equipment (CVV ) مزودًا آخر موثوقًا به للـ ALD. اكتسبت المجموعة سمعة لتوفير معدات الترسيب الكيميائي بالبخار والعمليات الحرارية الدقيقة والموثوقة للسوق. اليوم، تخدم CVD عدة صناعات، بما في ذلك قطاعي السيارات والفضاء.

تقدم CVD خدماتها منذ أكثر من 40 عامًا. هذه الخبرة مكنت الشركة من وضع نفسها كقوة رائدة في السوق. كما مكنت الشركة من تحسين عملياتها وتعزيزها لتحقيق أقصى أداء.

4. Applied Materials

AMAT مخطط السعر

أصبحت Applied Materials (AMAT ) لاعبًا رئيسيًا في سوق ALD بعد استحواذها على Picosun في عام 2020. في ذلك الوقت، كانت Picosun واحدة من أكثر مزودي ALD نشاطًا في الصناعة. استفادت Applied Materials من خبرتها وشبكتها لابتكار طرق واستراتيجيات جديدة لتطبيق طبقات فائقة الرقة.

اليوم، تقدم Applied Materials خدمات ALD للعملاء على مستوى المؤسسات. تشمل هذه الخدمات خطوط إنتاج جاهزة للانطلاق وعروضًا بحثية. بالإضافة إلى ذلك، يمكن للشركات الاستفادة من استشارات Applied Materials للمساعدة في تبسيط إنشاء وتكامل خدمات ALD.

الذكاء الاصطناعي يحسن ALD

أحد الأسباب التي جعلت ALD يتحسن خلال السنوات القليلة الماضية هو دمج خوارزميات الذكاء الاصطناعي. على وجه الخصوص، تمكّن خوارزميات التعلم الآلي المطورين من إنشاء وتجربة مركبات جديدة افتراضيًا. هذه القدرة تقلل بشكل كبير من تكاليف البحث والتطوير وتتيح للمطورين رؤية كيفية تفاعل مواد معينة دون الحاجة إلى آلات خاصة لإنجاز المهمة.

يمكن لخوارزميات التعلم الآلي تشغيل ملايين التجارب للعثور على نقاط ضعف أو حدود محتملة. هذا النمط من الذكاء الاصطناعي فعال جدًا ويتطلب تعليمًا مرة واحدة فقط لإكمال المهام بأمثل شكل. بالإضافة إلى ذلك، قد ترى الشبكات العصبية المتعلمة الذكاء الاصطناعي يوصي بمواد جديدة ويجري الاختبار والتطوير بشكل مستقل.

محاكاة الذكاء الاصطناعي تُغيّر قواعد اللعبة للعديد من الأسباب. أولًا، تسمح هذه الاختبارات باختبار الإبداعات إلى الحد الأقصى دون إتلاف العناصر في العالم الحقيقي. يمكن للمطورين إنشاء واختبار وإعادة ضبط كل شيء افتراضيًا قبل تخصيص أي تمويل لطرق التصنيع. بهذه الطريقة، قد يكون الذكاء الاصطناعي المفتاح لفتح مستويات جديدة من الصمود وطرق التطبيق في المستقبل.

توسع سوق ALD

سوق ALD في تزايد، حيث تُظهر التقارير أن إيراداتًا بلغت أكثر من 4.46 مليار دولار تم تحقيقها من مبيعات معدات ALD في عام 2023. تُظهر نفس البيانات إمكانات نمو كبيرة في المستقبل، مع توقع معدل نمو سنوي مركب بنسبة 8.90٪ خلال العقد القادم في السوق الأمريكية وحدها.

كما يُظهر التقرير أن الطلب المتزايد هو نتيجة لتصغير الأجهزة الإلكترونية المستمر وتحسين عمليات التصنيع. تُحسّن العمليات الأحدث الجودة وتقلل من تكاليف التطبيق. يُظهر التقرير نفسه أيضًا كيف أن الطلب المتزايد على الألواح الشمسية يُعد محفزًا آخر لتوسع ALD.

يمكن أن يصبح أكثر سوادًا دائمًا

ستستمر علوم إنشاء المادة الأكثر سوادًا في التطور ودفع الابتكار عبر القطاعات العلمية. من الأجهزة البصرية المتقدمة إلى استكشاف الفضاء والتقاط أشعة الشمس، تقنيات ALD في طليعة الابتكار. لهذه الأسباب، من الحكمة مراقبة هذه الشركات في الأشهر القادمة.

يمكنك معرفة المزيد عن مشاريع البلوك تشين المثيرة هنا.